CN103418763B - 一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置。它主要包括：辊基体、辊套、第一盖板、主轴和第二盖板，主轴上设有辊基体，辊基体外圆侧设有辊套，辊基体两侧设有第一盖板、第二盖板，并且通过辊套相连，两个盖板外周边设有与辊套相配合的凸环，辊基体外圆中心区域设有环形凸台，辊套内表面中心区域排布有轴向方形水槽，轴向方形水槽端面与辊基体的凸台外圆面贴合形成轴向方形冷却水流动通道，辊套内表面外侧与两个盖板以及辊基体外圆面共同围成对称的左右两个阶梯状环形等间距冷却水流动通道。本发明冷却辊的水道结构设置有助于实现辊套与非晶带材接触区域内的温度场分布均匀化，从而改善非晶宽带制品由于冷却不均匀而产生的一系列缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及材料加工及传热技术领域，尤其涉及涉及一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置。
技术背景
非晶合金是近几十年来国际上发展非常热门且极具战略性意义的新型材料之一。目前工业生产上多采用单辊旋转喷注法来制备非晶带材。单辊法制备非晶薄带的过程具体陈述如下：母合金在增祸内加热熔化，达到一定过热度Tm+△T(Tm为金属熔点，△T为过热度)后充入氢气或氮气，当喷嘴压力大于狭缝对熔融合金的表面张力时，熔融金属就通过喷嘴喷出，经与辊面之间的间隙，到达快速旋转的辊面形成熔潭，熔融金属熔潭被高速旋转的辊轮拖拽形成金属薄带，热量经辊套被流动的冷却水带走，薄带在辊面上迅速冷却，并借助离心力的作用被抛出辊面，拖拽、冷却连续进行直至钳锅内的熔融金属流完。
由此可知，该生产工艺对冷却辊面温度要求严格，因为辊面与熔融金属直接接触，决定着金属的冷却速度和成型质量。一般情况下，当熔融金属凝固时释放的热量不能及时由冷却辊套外表面传至内表面而后被冷却水带走，将会导致辊套表面温度升高，金属液的冷却速度下降，最终得不到非晶组织；此外，由于冷却辊套中心区域和边界区域的传热条件不一样（边界传热优于中心区域），使得辊套表面温度沿带宽方向的分布不均匀（温度在中心点最高，并沿两侧逐步下降形成温度梯度），继而相应地导致薄带由于冷却不均匀而产生一系列工艺性缺陷。
因此，优化冷却辊结构，调整工艺参数，将冷却辊温度场控制在一定温度值及一定的温度梯度之内，对获得高质量非晶态合金带具有非常重要的意义。
目前，非晶带生产用冷却辊水道的结构设计目的多在于如何提高冷却辊的冷却能力，由此在 “环形水道”的基础上发展出多种不同散热效率的冷却水道——“密排水槽形冷却水道”、“密排水孔形冷却水道”以及“螺旋形水道”。中国专利CN 102133619 A虽然意识到了铜辊的冷却不均问题，但它是通过改变水道的流向，即中间进水两边出水来改善的。它认为造成冷却不均的原因在于冷却水的温升，若先冷却铜辊中部再冷却边界则会防止铜辊的冷却不均问题。这其实没有抓住问题产生的主要因素，冷却水的温升并不会导致辊套下表面的对流换热系数有明显的差异，温升的幅度也可以通过适当提高水流量来缩小。此外，该专利提到的双螺旋结构和复杂的冷却水循环***也增大了其工艺加工的难度。
发明内容
本发明的目的是一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置。通过合理设计冷却辊的冷却通道结构，使得辊套与非晶带材接触的区域沿其辊宽方向上达到温度均匀化，从而改善非晶宽带制品由于冷却不均匀而产生两边翘曲甚至中间区域冷却不足而非晶组织晶化的缺陷。
制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置主要包括：辊基体、辊套、第一盖板、主轴和第二盖板，主轴上设有辊基体，辊基体外圆侧设有辊套，辊基体两侧分别设有第一盖板、第二盖板，第一盖板和第二盖板为对称结构，并且通过辊套相连，第一盖板和第二盖板外周边设有与辊套相配合的凸环，辊基体外圆中心区域设有环形凸台，辊套内表面中心区域排布有轴向方形水槽，轴向方形水槽端面与辊基体的凸台外圆面贴合形成轴向方形冷却水流动通道，辊套内表面外侧与第一盖板、第二盖板以及辊基体外圆面共同围成对称的左阶梯状环形等间距冷却水流动通道，右阶梯状环形等间距冷却水流动通道，左右两个阶梯状环形等间距冷却水流动通道通过轴向方形冷却水流动通道相连通，第一盖板和第二盖板与辊基体两侧边分别形成左径向冷却水流动通道和右径向冷却水流动通道，辊基体两侧的主轴中空分别为进水口和出水口，辊基体两侧的主轴侧壁上分别设有进水流动孔道和出水流动孔道，进水口、进水流动孔道、左径向冷却水流动通道、左阶梯状环形等间距冷却水流动通道、方形冷却水流动通道、右阶梯状环形等间距冷却水流动通道、右径向冷却水流动通道、出水流动孔道、出水口顺次相连。
所述的第一盖板凸环端面和第二盖板凸环端面之间的间隔L为待加工非晶带材宽度W的85%-95%。所述的第一盖板凸环和第二盖板凸环的厚度D为15mm～30mm。所述的方形冷却水流动通道沿辊套轴向上的长度L’为待加工非晶带材宽度W的55%～65%。
本发明创造性地将两种不同冷却能力的冷却水道——环形通道和密排方形水道进行合理结合，形成复合冷却通道，如此，带材的中心区域处于水槽形通道的高强度冷却条件，而边界处于环形通道的普通冷却条件，从而将带材传给辊套的热流进行重新分配，最终实现辊套温度的均匀化。此外，本装置仍然采用一端进水一端出水的冷却***，无需耗费物力重新改装设备。
附图说明
图1为制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置结构示意图；
图2为图1局部结构放大图；
图3为图2中A-A剖面图；
图4为本发明的冷却辊装置的特殊尺寸要求示意图；
图中，辊基体1、辊套2、第一盖板3、主轴4、进水口5、出水口6、第二盖板7、左侧流动孔道8、左径向冷却水流动通道9、左阶梯状环形冷却水流动通道10、右阶梯状环形冷却水流动通道10’、轴向方形冷却水流动通道11、右径向冷却水流动通道12、右侧流动孔道13、待加工非晶带材14。
具体实施方式
要改善铜辊冷却不均的问题需从传热机制入手：带材释放出的热量途经铜辊辊套最终被流动的冷却水带走。若按传统冷却辊结构设置，即冷却通道沿辊宽方向上具有相同的散热效率，则在此传热过程中，热流在铜辊辊套内的分布特点是中心区域的热流为一维流，边界区域的热流为二维流，边界传热优于中心区域，自然对应的辊套上表面中间区域温度会明显高于边界。因而改善铜套冷却不均的有效途径是通过合理设置冷却通道，提高辊套中心的冷却强度并适当地削弱边界的冷却强度，让热流重新分布，以尽可能达到温度均匀化。
下面参照图1、图2、图3、图4进一步详细描述本发明的冷却辊套。
制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置主要包括：辊基体1、辊套2、第一盖板3、主轴4和第二盖板7，主轴4上设有辊基体1，辊基体1外圆侧设有辊套2，辊基体1两侧分别设有第一盖板3、第二盖板7，第一盖板3和第二盖板7为对称结构，并且通过辊套2相连，第一盖板3和第二盖板7外周边设有与辊套2相配合的凸环，辊基体1外圆中心区域设有环形凸台，辊套2内表面中心区域排布有轴向方形水槽，轴向方形水槽端面与辊基体1的凸台外圆面贴合形成轴向方形冷却水流动通道11，辊套2内表面外侧与第一盖板3、第二盖板7以及辊基体1外圆面共同围成对称的左阶梯状环形等间距冷却水流动通道10，右阶梯状环形等间距冷却水流动通道10’，左右两个阶梯状环形等间距冷却水流动通道通过轴向方形冷却水流动通道11相连通，第一盖板3和第二盖板7与辊基体1两侧边分别形成左径向冷却水流动通道9和右径向冷却水流动通道12，辊基体1两侧的主轴中空分别为进水口5和出水口6，辊基体1两侧的主轴侧壁上分别设有进水流动孔道8和出水流动孔道13，进水口5、进水流动孔道8、左径向冷却水流动通道9、左阶梯状环形等间距冷却水流动通道10、方形冷却水流动通道11、右阶梯状环形等间距冷却水流动通道10’、右径向冷却水流动通道12、出水流动孔道13、出水口6顺次相连。
所述的第一盖板3凸环端面和第二盖板7凸环端面之间的间隔L为待加工非晶带材14宽度W的85%-95%。所述的第一盖板3凸环和第二盖板7凸环的厚度D为15mm～30mm。所述的方形冷却水流动通道11沿辊套2轴向上的长度L’为待加工非晶带材14宽度W的55%～65%。所述的辊套2材质为铜合金，第一盖板3和第二盖板7的材质为结构钢。
本发明的工作过程如下：
辊基体1、辊套2、第一盖板3和第二盖板7在主轴4的带动下做高速旋转运动，在此过程中不断有高温熔融金属液喷注在辊套2的外表面继而冷却成宽度为W的非晶带材14。为保证冷却辊高效的散热效率，需从主轴4中的进水口5通入一定流量的冷却水，冷却水经过左侧流动孔道8进入左径向冷却水流动通道9和左阶梯状环形冷却水流动通道10，然后由于过流截面急剧减小而加速通过中心的轴向方形冷却水通道11，之后再经过与左阶梯状环形流动通道10对称的右阶梯状环形流动通道10’，进入右径向冷却水流动通道12和右侧流动孔道13，最终从出水口6流出。
Claims (4)
1.一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置，其特征在于，冷却辊装置主要包括：辊基体（1）、辊套（2）、第一盖板（3）、主轴（4）和第二盖板（7），主轴（4）上设有辊基体（1），辊基体（1）外圆侧设有辊套（2），辊基体（1）两侧分别设有第一盖板（3）、第二盖板（7），第一盖板（3）和第二盖板（7）为对称结构，并且通过辊套（2）相连，第一盖板（3）和第二盖板（7）外周边设有与辊套（2）相配合的凸环，辊基体（1）外圆中心区域设有环形凸台，辊套（2）内表面中心区域排布有轴向方形水槽，轴向方形水槽端面与辊基体（1）的凸台外圆面贴合形成轴向方形冷却水流动通道（11），辊套（2）内表面外侧与第一盖板（3）、第二盖板（7）以及辊基体（1）外圆面共同围成对称的左阶梯状环形等间距冷却水流动通道（10），右阶梯状环形等间距冷却水流动通道(10’），左右两个阶梯状环形等间距冷却水流动通道通过轴向方形冷却水流动通道（11）相连通，第一盖板（3）和第二盖板（7）与辊基体（1）两侧边分别形成左径向冷却水流动通道（9）和右径向冷却水流动通道（12），辊基体（1）两侧的主轴中空分别为进水口（5）和出水口（6），辊基体（1）两侧的主轴侧壁上分别设有进水流动孔道（8）和出水流动孔道（13），进水口（5）、进水流动孔道（8）、左径向冷却水流动通道（9）、左阶梯状环形等间距冷却水流动通道（10）、方形冷却水流动通道（11）、右阶梯状环形等间距冷却水流动通道(10’）、右径向冷却水流动通道（12）、出水流动孔道（13）、出水口（6）顺次相连。
2.根据权利要求1所述的一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置，其特征在于，所述的第一盖板（3）凸环端面和第二盖板（7）凸环端面之间的间隔L为待加工非晶带材（14）宽度W的85%-95%。
3.根据权利要求1所述的一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置，其特征在于，所述的第一盖板（3）凸环和第二盖板（7）凸环的厚度D为15mm～30mm。
4.根据权利要求1所述的一种制备高性能快冷金属薄带的冷却辊装置，其特征在于，所述的方形冷却水流动通道（11）沿辊套（2）轴向上的长度L’为待加工非晶带材（14）宽度W的55%～65%。
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